¿Surgió el universo de una fluctuación del vacío?

Todos sabemos que el universo nació con el Big Bang, una gran explosión que dio comienzo a todo: materia, energía, espacio y tiempo. Lo que no sabemos es porqué pasó.

Hay una observación que por obvia siempre nos ha pasado desapercibida. Como cualquiera de nosotros puede percibirlo con sólo levantar la vista al cielo, la noche es oscura. Pero, ¿por qué es así? A primera vista puede parecer una pregunta estúpida que sólo puede conducir a una discusión estéril. El cielo es oscuro porque no hay Sol. Pero por la noche vemos estrellas. ¿No podrían iluminar la noche? Si el universo fuera infinito y en él hubiera infinitas estrellas que se distribuyen más o menos uniformemente por el espacio, el cielo nocturno tendría que ser totalmente brillante: no habría ningún espacio oscuro, porque mirásemos en la dirección que mirásemos siempre acabaríamos dando con una estrella. Es más, debería ser incandescente pues alrededor de la Tierra tendríamos un número infinito de capas de estrellas. ¿Por qué no es así? Esto es la paradoja de Olbers, en honor al médico y astrónomo alemán Heinrich Olbers que se lo planteó por primera vez, allá por el siglo XIX.

¿Cómo resolverlo? Se han dado varias y muy diversas soluciones, pero sólo se ha podido responder hace más de 75 años, cuando Edwin Hubble descubrió la expansión del universo. Que la noche sea oscura nos indica que el universo es finito, que tuvo un comienzo. En realidad lo que Hubble encontró con su telescopio del Monte Wilson (California) es que la luz proveniente de las galaxias se encuentra desplazada hacia el rojo del mismo modo que la bocina de un coche nos parece más grave cuando se aleja de nosotros. Y eso ocurre tanto si observamos desde la Tierra como si lo hiciéramos desde cualquier planeta situado en cualquier galaxia. Tan sorprendente observación se interpretó como que el universo entero se expande del mismo modo que lo hace un pastel de pasas o un globo al que le hemos pintado con un rotulador puntitos es su superficie. Ni las pasas ni los puntos (las galaxias) se mueven; crece la masa del pastel o se estira la goma del globo (el espacio-tiempo).

Pasando la película hacia atrás

Obviamente, si el universo se está expandiendo, eso quiere decir que con el tiempo se hace  cada vez más grande. Pero si entonces pasamos la película hacia atrás, la consecuencia evidente es que llegará un momento en el que encontraremos todo el universo concentrado en un espacio muy pequeño, un punto diminuto y sin dimensiones. ¿Y entonces, qué? Lo que tenemos es el punto de partida de una de las hipótesis más increíbles de la historia de la ciencia: el Big Bang o la Gran Explosión.

Si el universo se originó con una formidable explosión ¿no es posible que aún podamos escuchar algún eco de aquello? Así pensaba a comienzos de los 60 el cosmólogo de Princeton Robert H. Dicke. Creía que debía quedar algún tipo de resto de radiación y propuso a uno de sus investigadores, Jim Peebles que se pusiera a calcular lo que sucedería si realmente el universo hubiese nacido de este modo. Y encontró que hoy día tendríamos que ver un fondo de microondas cubriendo todo el espacio, algo que ya había sido predicho 10 años antes por el padre del Big Bang, el ucraniano George Gamow, y que había caído en el olvido. Curiosamente este fondo estaba siendo observado y traía de cabeza a dos radioastrónomos de la compañía Bell, Arno Penzias y Robert Wilson. Esta radiación cósmica de fondo proviene de cuando el universo tenía 300 000 años de edad. Hasta ese momento la historia del cosmos se había caracterizado por un mortal aburrimiento únicamente roto por fotones chocando contra el plasma que llenaba el espacio, compuesto por electrones libres y núcleos de hidrógeno y helio moviéndose a velocidades frenéticas. La luz era incapaz de “escapar” de esas continuas colisiones con la materia, por lo que el universo era opaco a la radiación. 

Pero hace 300 000 años se produjo algo que iba a cambiarlo todo: la temperatura del universo descendió lo suficiente para que los núcleos de hidrógeno y helio atraparan los electrones que volaban a su alrededor convirtiéndose en átomos neutros, con lo que los fotones dejaron de interaccionar con la materia. Este momento de 'desacoplo' de la materia y la radiación hizo que el universo se volviera transparente; esa luz escapó y hoy la podemos ver en forma de esa radiación en el rango de las microondas que inunda todo el cosmos.

Es una frontera luminosa que no nos deja observar nada de lo que sucedió antes, como un telón que impide que llegue a nosotros cualquier información en forma de radiación electromagnética de lo sucedido en esos 300 000 años previos. Es la luz más antigua que podemos observar y marca el comienzo de lo que se llama la Edad Oscura del universo.

¿Cómo empezó todo?

A finales de la década de los 60 un joven profesor ayudante de la universidad de Columbia llamado Edward Tryon asistía a un seminario impartido por uno de los cosmólogos más importantes de entonces, el británico Dennis Sciama. En una pausa durante la conferencia Tryon comentó en voz alta que quizá el universo fuera una fluctuación del vacío. La sugerencia del joven físico iba en serio pero Sciama se la tomó como un chiste y rompió a reír.

No era un chiste. Lo que todo el mundo en aquella sala de la universidad de Columbia escuchó fue el nacimiento de la primera idea científica que pretendía responder a la pregunta de dónde viene el universo.

¿Qué es una fluctuación del vacío? Tryon, con ese nombre tan extraño como rimbombante, quería describir lo que significa el vacío en una de las ramas más abstrusas de la física: la mecánica cuántica relativista.

Una fluctuación del vacío

La idea central de la mecánica cuántica es la naturaleza probabilística del mundo atómico. En definitiva, que es imposible predecir el comportamiento de un átomo aunque se pueden predecir las propiedades, en promedio, de una gran cantidad de átomos. Lo que a nosotros nos interesa es que el propio vacío también está sujeto a estas incertidumbres cuánticas. O sea, y dicho de forma bastante burda, en el vacío puede suceder cualquier cosa, como por ejemplo, materializarse de la nada un diamante pulido del tamaño de una sandía para desaparecer acto seguido (bien es cierto que la probabilidad de que esto ocurra es infinitamente pequeña). Lo que el cosmólogo estaba intentado decir aquél día y nadie le entendió es que el universo entero surgió de este modo. Él mismo resumió perfectamente su planteamiento: el universo es una de esas cosas que sucede de vez en cuando.

Por desgracia, la carcajada de Sciama hizo que se olvidara de su idea hasta que en 1973 Tryon publicó un artículo en la revista Nature titulado ¿Es el universo una fluctuación del vacío? El punto crucial de su razonamiento era que toda la energía del universo, incluyendo la masa de todos los objetos que contiene, se compensa exactamente con la energía gravitatoria que hay en él y que es, por definición, negativa. O sea, que la suma de toda la energía que hay en el universo es cero y eso permitió al universo surgir, literalmente, de la nada. Y lo más importante de todo: esta aparición no viola ninguna ley de la física.

Referencias:

Bondi, H. (1970) Cosmología, Labor

Miralda-Escudé, j. (2003) “The Dark Age of the Universe”, Science 5627, 1904-1909

Tryon, E. (1973) “Is the Universe a Vacuum Fluctuation?” Nature 246, 396–397  https://doi.org/10.1038/246396a0

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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